JP5524096B2 - 過電流保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源から電気負荷に過電流が供給されることを防止する過電流保護装置に関する。

従来より、電源から電気負荷への通電経路を導通／遮断するスイッチング素子を備えて、通電経路に流れる電流が所定レベル以上である状態が所定時間以上継続したときに、スイッチング素子をオフして電源を保護するようにした過電流保護装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された過電流保護装置においては、過電流が生じてスイッチング素子をオフしたときに、このオフ状態を解除するためには、電源スイッチを切るか復帰指令信号を入力する必要があり、過電流が収まってもスイッチング素子をオン状態に自動復帰させることができなかった。

そこで、コンデンサの充放電を利用して、過電流が生じてスイッチング素子をオフしてから一定時間が経過したときに、スイッチング素子をオン状態に復帰させるようにした構成が提案されている。さらに、過電流の状態が解消されずにこのようなスイッチング素子のオン・オフの切替えが繰り返されると、スイッチング素子が過熱するため、この切替え回数が所定回数に達したときに、スイッチング素子を所定時間オフ状態に維持してスイッチング素子の過熱を防止するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３３３５２８号公報 実開平５−８４１４０号公報

上記特許文献２に記載された構成では、スイッチング素子のオン・オフの切替え回数を計数するカウンタ回路等が必要となるため、装置の構成が複雑になるという不都合がある。

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、簡易な構成により、自動復帰機能を備えつつ、過電流状態でのスイッチング素子の過熱を防止することができる過電流保護装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、電源から電気負荷への通電経路に設けられたスイッチング素子と、前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出部と、第１レベルの電圧出力と該第１レベルと異なる第２レベルの電圧出力を所定周期で切替えてパルス信号を出力し、前記電気負荷の特性又は作動状況に応じて、前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間の長さを変更するパルス出力回路と、前記パルス出力回路の出力が前記第１レベルであるときは、前記スイッチング素子が遮断状態から導通状態に移行する際の所要期間以外は、前記スイッチング素子を導通状態とし、前記パルス出力回路の出力が前記第２レベルであるときには、前記電流検出部による検出電流の大きさに応じて、該検出電流が所定の過電流閾値よりも小さいときは、前記スイッチング素子が遮断状態から導通状態に移行する際の所要期間以外は前記スイッチング素子を導通状態とし、該検出電流が該過電流閾値以上であるときには、前記スイッチング素子を遮断状態とするスイッチング制御部とを備えたことを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記パルス出力回路から出力される前記パルス信号の電圧レベルが第１レベルであるときに、過電流が生じて遮断状態とされた前記スイッチング素子を導通状態に復帰させている。そして、第１発明によれば、前記パルス信号の周期によって、過電流が生じて前記スイッチング素子が遮断状態とされたときに、前記スイッチング素子を強制的に導通状態に復帰させる間隔を、前記スイッチング素子が過熱しない間隔に容易に設定することができる。そのため、スイッチング素子が遮断状態と導通状態に切り換わった回数を計数する回路等は不要であり、前記パルス出力回路による簡易な構成によって、自動復帰機能を備えつつ、過電流状態でのスイッチング素子の過熱を防止することができる過電流保護装置を実現することができる。

なお、前記スイッチング素子の遮断状態は、前記スイッチング素子の通電量がゼロである場合の他、前記スイッチング素子の過熱が生じないレベルまで、前記スイッチング素子の通電量を制限した状態も含むものとする。

さらに第１発明によれば、前記電気負荷の特性（通電開始時の突入電流の有無等）や、作動状況（作動内容の変化による消費電流の急増等）に応じて、過電流による前記スイッチング素子の遮断を制限する時間を変更することで、前記電源から前記電気負荷への適切な通電を行うことができる。

例えば、前記電源から前記電気負荷への通電開始時の突入電流が大きい場合や、前記電気負荷の消費電流が急増することが多い場合には、前記第１レベルの電圧の出力期間を長くすればよい。また、前記第１レベルの電圧の出力期間を短くすることで、前記電源の待機電力を抑えることができる。

また、第１発明において、前記電気負荷は、前記通電経路との接続部に前記電源からの供給電流により充電されるバックアップコンデンサを備え、前記パルス出力回路は、前記電源から前記電気負荷への通電が開始されてから所定時間内での前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間を、該所定時間が経過した後の前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間よりも長くすることを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記電源から前記電気負荷への通電開始時に、前記バックアップコンデンサが満充電されるまで前記バックアップコンデンサに前記過電流閾値以上の電流が流れるときに、前記スイッチング素子が導通状態に維持される時間を長くすることができる。これにより、前記過電流閾値を大きくしなくても、前記第１レベルの電圧の出力期間を長くすることによって、前記バックアップコンデンサを確実に充電することができる。

なお、前記バックアップコンデンサの容量が大きい場合や、前記バックアップコンデンサを備えた複数の前記負荷が、前記電源に並列に接続されているときは、前記第１レベルの電圧の出力期間をさらに長くすればよい。

また、第１発明又は第２発明において、複数の前記電気負荷が前記電源に接続され、前記電源と各電気負荷との通電経路に個別に設けられた複数の前記スイッチング素子と、前記各スイッチング素子に対応した複数の前記スイッチング制御部とを備え、前記各スイッチング制御部は、１つの前記パルス出力回路から出力される前記パルス信号を共用することを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、複数の前記スイッチング制御部に対して、前記パルス出力回路を個別に備える場合よりも、装置構成を簡素化して部品コストを削減することができる。

過電流保護装置の構成図。 電気負荷が正常であるとき及び電気負荷が短絡異常であるときの過電流保護装置のタイミングチャート。 過電流によりスイッチング素子が遮断された状態から自動復帰するときの過電流保護装置のタイミングチャート。 電気負荷の電源接続部に平滑用コンデンサが設けられている場合の過電流保護装置のタイミングチャート。 電源に複数の電気負荷が接続された実施形態での過電流保護装置の構成図。

本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の過電流保護装置は、電源１と電気負荷２間の通電経路７に設けられて、入力端子と制御端子間に抵抗５が接続されたスイッチング素子３（例えばＦＥＴ、トランジスタ等）と、通電経路７に流れる電流を検出するための電流検出用抵抗４（本発明の電流検出部に相当する）と、所定周期のパルス信号Ｐsを出力するパルス出力回路６と、電流検出用抵抗４により検出される電流の大きさ及びパルス信号Ｐsのレベルに応じて、スイッチング素子３のオン（導通状態）・オフ（遮断状態）を切替えるスイッチング制御部１０とを備えている。

スイッチング制御部１０は、電源１の出力部とＧＮＤ間に直列に接続されたＰＮＰ型のトランジスタ１１，抵抗１２，及び抵抗１３と、電流検出用抵抗４とトランジスタ１１のベース間に接続された抵抗１９と、スイッチング素子３の制御端子とＧＮＤ間に接続された抵抗１８とを備えている。

スイッチング制御部１０は、さらに、トランジスタ１１のコレクタとスイッチング素子３の制御端子間に、トランジスタ１１のコレクタからスイッチング素子３の制御端子への向きを順方向として接続されたダイオード１７と、出力部がトランジスタ１１のベースに接続されると共に、正入力部が抵抗１６を介して閾値電圧Ｖthの出力部に接続され、負入力部が抵抗１２，１３の接続箇所に接続され、正入力部と出力部間に抵抗３０とダイオード３１が直列に接続されたコンパレータ１５と、コンパレータ１５の負入力部とＧＮＤ間に接続されたコンデンサ１４と、コレクタが抵抗２０を介してコンパレータ１５の負入力部に接続されると共に、エミッタがＧＮＤに接続され、ベースが抵抗２２を介してパルス出力回路６に接続されたＮＰＮ型のトランジスタ２１と、トランジスタ２１のベース・エミッタ間に接続された抵抗２３とを備えている。なお、トランジスタ２１と抵抗２２，２３を、デジタルトランジスタに置き換えてもよい。

パルス出力回路６は、出力をＨｉレベル（例えば５Ｖ、本発明の第１レベルに相当する）とＬoレベル（例えば０Ｖ、本発明の第２レベルに相当する）に切替えて、パルス信号Ｐsを出力する。

パルス出力回路６の出力がＨiレベルであるときは、トランジスタ２１がオンしてコンパレータ１５の負入力部がほぼ０Ｖ（＜Ｖ^＋）となるため、コンパレータ１５の出力部がハイインピーダンス状態となる。一方、パルス出力回路６の出力がＬoレベルであるときには、トランジスタ２１がオフするため、コンパレータ１５の負入力部の電圧（＝コンデンサ１４の端子間電圧Ｖc）とＶ^＋との大小に応じて、コンパレータの１５の出力部がＧＮＤ導通状態（Ｖc＞Ｖ^＋のとき）とハイインピーダンス状態（Ｖc≦Ｖ^＋のとき）とに切り換わる。

トランジスタ１１は、パルス出力回路６の出力がＬoレベルであるときは、通電経路７に流れる電流Ｉoの大きさに応じてオン／オフが切り換わる。すなわち、Ｉoが予め設定された過電流閾値Ｉthよりも小さいとき（Ｉo＜Ｉth）はトランジスタ１１がオフし、Ｉoが過電流閾値Ｉth以上であるとき（Ｉth≦Ｉo）にはトランジスタ１１がオンするように、抵抗４，１９の抵抗値が設定されている。

コンパレータ１５の出力がハイインピーダンス状態であるときに、トランジスタ１１がオンすると、トランジスタ１１のエミッタ・ベース間には、抵抗４における降下電圧によるバイアス電圧が加えられて、このバイアス電圧に応じた電流がトランジスタ１１及び抵抗１２を介してコンデンサ１４に供給され、コンデンサ１４が充電されてその端子間電圧Ｖcが次第に上昇する。

このように、コンデンサ１４が充電されているときは、スイッチング素子３の制御部に、電源１の出力電圧をトランジスタ１１と抵抗１２とコンデンサ１４とで分圧した電圧がダイオード１７を介して入力される。そして、スイッチング素子３の通電量が、トランジスタ１１がオフであるときよりも少ない量に制限される。

コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶ^＋よりも高くなると、コンパレータ１５の出力部が０Ｖ（ＧＮＤに導通）となって、トランジスタ１１のエミッタ・ベース間のバイアス電圧が高くなり、トランジスタ１１の通電量が増加する。これにより、ダイオード１７を介してスイッチング素子３の制御部に入力される電圧が高くなり、スイッチング素子３がオフされて電気負荷２への過電流の供給が遮断される。

次に、図２〜４に示したタイミングチャートを参照して、過電流保護装置の作動について説明する。

図２（ａ）は、電気負荷２の状態が正常である場合の電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉo、電気負荷２に印加される電圧Ｖo、及びコンデンサ１４の端子間電圧Ｖcの推移を、横軸を共通の時間軸（ｔ）として示したものである。

電気負荷２の状態が正常であって、電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉoが過電流閾値Ｉthよりも小さい定常電流Ｉ1であるときは、トランジスタ１１がオフ状態に維持されるため、印加電圧Ｖoが定常電圧Ｖ1となる。また、コンデンサ１４には通電されないため、コンデンサ１４の端子間電圧Ｖcは０Ｖのままとなる。

次に、図２（ｂ）は、電気負荷２に異常が生じて電源１から電気負荷２に過電流が供給される状態になった場合の電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉo、電気負荷２に印加される電圧Ｖo、及びコンデンサ１４の端子間電圧Ｖcの推移を、横軸を共通の時間軸（ｔ）として示したものである。

ｔ₁₁で電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉoが過電流閾値Ｉth以上になると、トランジスタ１１がオンしてスイッチング素子３により通電量がＩ2に制限され、電気負荷２に印加される電圧ＶoがＶ1からＶ2に低下する。そして、コンデンサ１４への通電によりコンデンサ１４の端子間電圧Ｖcが次第に上昇し、Ｖcが閾値電圧Ｖ^＋以上になったｔ₁₂で、コンパレータ１５の出力が０Ｖとなってスイッチング素子３がオフする。これにより、電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉoが０Ａになる（過電流供給の遮断）と共に、電気負荷２に印加される電圧Ｖoが０Ｖになる。

次に、図３（ａ）は、過電流の検出によりスイッチング素子３がオフされ、その後、電気負荷２の異常が解消されたときに、スイッチング素子３をオン状態に自動復帰させる場合の電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉo、電気負荷２に印加される電圧Ｖo、コンデンサ１４の端子間電圧Ｖc、及びパルス信号Ｐsの推移を、横軸を共通の時間軸（ｔ）として示したものである。

スイッチング素子３がオフされて、電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉoが０Ａ、電気負荷２に印加される電圧Ｖoが０Ｖ、コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶf（満充電レベル）となっているｔ₂₁で、パルス出力回路６の出力がＨiレベル（５Ｖ）に切り換わると、トランジスタ２１がオンして、トランジスタ２１を介したコンデンサ１４の放電が開始される。

そして、放電によりコンデンサ１４の端子間電圧Ｖcが次第に低下し、コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶ^＋よりも低くなったｔ₂₂で、コンパレータ１５の出力が０Ｖからハイインピーダンス状態に切り換わる。これにより、トランジスタ１１がオフしてスイッチング素子３の制御端子に入力される電圧が低下し、スイッチング素子３がオンして電気負荷２への電流供給が再開される（スイッチング素子３のオン状態への自動復帰）。

次に、図３（ｂ）は、過電流の検出によりスイッチング素子３がオフされ、電気負荷２の異常が解消されていない状態で、スイッチング素子３をオン状態に自動復帰させた場合の電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉo、電気負荷２に印加される電圧Ｖo、コンデンサ１４の端子間電圧Ｖc、及びパルス信号Ｐsの推移を、横軸を共通の時間軸（ｔ）として示したものである。

図３（ａ）と同様に、スイッチング素子３がオフされて、電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉoが０Ａ、電気負荷２に印加される電圧Ｖoが０Ｖ、コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶf（満充電レベル）となっているｔ₃₁で、パルス出力回路６の出力がＨiレベル（５Ｖ）に切り換わると、トランジスタ２１がオンして、トランジスタ２１を介したコンデンサ１４の放電が開始される。

そして、放電によりコンデンサ１４の端子間電圧Ｖcが次第に低下し、コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶ^＋よりも低くなったｔ₃₂で、コンパレータ１５の出力が０Ｖからハイインピーダンス状態に切り換わる。

これにより、トランジスタ１１がオフしてスイッチング素子３の制御端子に入力される電圧が低下し、スイッチング素子３がオンして電気負荷２への電流供給が再開されるが、電気負荷２の異常が解消されていないため、電流検出用抵抗４には過電流閾値Ｉth以上の電流が流れる。

そのため、再びトランジスタ１１がオンしてスイッチング素子３の制御端子に入力される電圧が高くなり、スイッチング素子３の通電量がＩ2に制限される。そして、パルス出力回路６の出力が０Ｖに切り換わり、トランジスタ２１がオフしたｔ₃₃からコンデンサ１４の充電が開始され、コンデンサ１４の端子間電圧Ｖcが次第に上昇する。

コンデンサ１４の端子間電圧ＶcがＶ^＋以上となったｔ₃₄で、コンパレータ１５の出力がハイインピーダンスから０Ｖに切り換わり、これにより、スイッチング素子３の制御端子への入力電圧が上昇して、スイッチ素子３が再びオフする（過電流供給の遮断）。

次に、図４は、電気負荷２内に、電気負荷２の電源接続部間に接続されたバックアップコンデンサが設けられている場合の、電源１から電気負荷２への通電を開始する場合の電源１から電気負荷２に供給される電流Ｉo、電気負荷２に印加される電圧Ｖo、バックアップコンデンサの端子間電圧Ｖc、及びパルス信号Ｐsの推移を、横軸を共通の時間軸（ｔ）として示したものである。

電気負荷２の電源接続部間にバックアップコンデンサが接続されている場合には、ｔ₄₁で電気負荷２への通電を開始したときに、バックアップコンデンサに過電流閾値Ｉth以上の電流が流れ込む。そして、この場合にパルス出力回路６から出力されるパルス信号ＰsにおけるＨiレベル（５Ｖ）の出力期間Ｔhが短いと、スイッチング素子３がオンされる時間が短くなるため、バックアップコンデンサを満充電するための所要時間が長くなり、電気負荷２が作動可能状態になるまでの待ち時間が長くなる。

そこで、パルス出力回路６は、電気負荷２への通電を開始してから所定時間（平滑用コンデンサの充電時間に基づいて決定される）が経過するまでは、パルス信号ＰsにおけるＨiレベル（５Ｖ）の出力期間Ｔhを、この所定時間が経過した後よりも長く設定する。これにより、５Ｖの出力期間（ｔ₄₁〜ｔ₄₂、ｔ₄₄〜ｔ₄₆）におけるバックアップコンデンサの充電時間を長くして、バックアップコンデンサが満充電されるまでの時間を短くすることができる。

なお、パルス信号ＰsにおけるＨiレベルの電圧の出力期間の長さを、電気負荷２の特性や作動状態に応じて変更するようにしてもよい。例えば、電気負荷２が電動機（例えばファンやポンプ）であって、作動開始時に大きな突入電流が流れるときには、電気負荷２の作動開始時から所定時間が経過するまでの間は、Ｈiレベルの出力期間を長くして、電気負荷２の作動開始時にスイッチング素子３がオフされないようにしてもよい。

また、例えば、電気負荷２が音声出力機能付きのリモコンであって、音声出力時に消費電力が急増する場合に、音声出力の開始から終了するまでの期間は、パルス出力回路６の出力をＨiレベルにして、音声出力中に過電流によりスイッチング素子３がオフされないようにしてもよい。

次に、図５は、電源１に複数の電気負荷２ａ〜２ｃが接続された実施形態であり、電源１と各電気負荷２ａ〜２ｃの通電経路に、スイッチング素子３ａ〜３ｃと電流検出用抵抗４ａ〜４ｃが個別に設けられている。そして、各スイッチング素子３ａ〜３ｃに対応したスイッチング制御部１０ａ〜１０ｃが備えられている。

ここで、スイッチング素子３ａ〜３ｃ、及びスイッチング制御部１０ａ〜１０ｃの仕様は、上述した図１のスイッチング素子３及びスイッチング制御部１０と同様である。そして、各スイッチング制御部１０ａ〜１０ｃには、１つのパルス出力回路６から出力されるパルス信号Ｐsが入力され、各スイッチング制御部１０ａ〜１０ｃはこのパルス信号Ｐsを共用して、スイッチング素子３ａ〜３ｃの作動を制御する。

図５の構成によれば、電源１に接続される電気負荷２の数が増えても、パルス出力回路６は１つ用意すればよいため、簡易な構成により、複数の電気負荷についての過電流保護を実現することができる。

図５のパルス出力回路６とスイッチング素子３ａ〜３ｃは、例えば給湯器の電子基板に搭載され、電気負荷２ａ〜２ｃは、給湯器に備えられるファン、温度センサ、ＣＯセンサ、給湯器の遠隔操作用のリモコン等である。

ここで、給湯器に複数のリモコン（台所リモコン、浴室リモコン等）が接続される場合に、１つのスイッチング制御部１０ａとスイッチング素子３ａに、複数のリモコンを接続すると、スイッチング制御部１０ａ又はスイッチング素子３ａの故障が生じたときに、全てのリモコンが使用不能となる。

それに対して、図５に示したように、一つのスイッチング制御部１０ａ〜１０ｃ及びスイッチング素子３ａ〜３ｃに対して、一つのリモコン（電気負荷）を１台ずつ接続する構成とすることにより、一つのスイッチング制御部又はスイッチング素子が故障しても、故障していない他のスイッチング制御部及びスイッチング素子に接続されたリモコンを使用することができる。

なお、パルス出力回路６は、マイクロコンピュータによるソフトウェア処理により構成してもよく、ハードロジック回路により構成してもよい。

また、本実施の形態では、電気負荷２に供給される電流Ｉoが過電流閾値Ｉth以上になったときに、スイッチング素子３の通電量を制限し、Ｉoが過電流閾値Ｉth以上である状態がコンデンサ１４の充電態様により定まる時間以上継続したときに、スイッチング素子３をオフしたが、Ｉoが過電流閾値Ｉth以上になったときに直ちにスイッチング素子３をオフするようにしてもよい。

１…電源、２…電気負荷、３…スイッチング素子、４…電流検出用抵抗、６…パルス出力回路、７…通電経路、１０…スイッチング制御部。

Claims (3)

1. 電源から電気負荷への通電経路に設けられたスイッチング素子と、
   前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出部と、
   第１レベルの電圧出力と該第１レベルと異なる第２レベルの電圧出力を所定周期で切替えてパルス信号を出力し、前記電気負荷の特性又は作動状況に応じて、前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間の長さを変更するパルス出力回路と、
   前記パルス出力回路の出力が前記第１レベルであるときは、前記スイッチング素子が遮断状態から導通状態に移行する際の所要期間以外は、前記スイッチング素子を導通状態とし、
   前記パルス出力回路の出力が前記第２レベルであるときには、前記電流検出部による検出電流の大きさに応じて、該検出電流が所定の過電流閾値よりも小さいときは、前記スイッチング素子が遮断状態から導通状態に移行する際の所要期間以外は前記スイッチング素子を導通状態とし、該検出電流が該過電流閾値以上であるときには、前記スイッチング素子を遮断状態とするスイッチング制御部と
   を備えたことを特徴とする過電流保護装置。
2. 請求項１に記載の過電流保護装置において、
   前記電気負荷は、前記通電経路との接続部に前記電源からの供給電流により充電されるバックアップコンデンサを備え、
   前記パルス出力回路は、前記電源から前記電気負荷への通電が開始されてから所定時間内での前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間を、該所定時間が経過した後の前記パルス信号における前記第１レベルの電圧の出力期間よりも長くすることを特徴とする過電流保護装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の過電流保護装置において、
   複数の前記電気負荷が前記電源に接続され、
   前記電源と各電気負荷との通電経路に個別に設けられた複数の前記スイッチング素子と、
   前記各スイッチング素子に対応した複数の前記スイッチング制御部とを備え、
   前記各スイッチング制御部は、１つの前記パルス出力回路から出力される前記パルス信号を共用することを特徴とする過電流保護装置。